Профессор Школы физики Элизабета Мацумото изучает секреты многовековой практики вязания с помощью экспериментов, моделей и симуляций. Её цель — использовать вязание для прорывов в передовом производстве, включая более экологичные текстильные материалы, носимую электронику и мягкую робототехнику.
Мацумото, которая также является главным исследователем в Международном институте устойчивого развития с узлами хиральной метаматерии (WPI-SKCM2) в университете Хиросимы, является автором исследования, посвящённого физике «заклинивания» — явления, когда мягкие или эластичные материалы становятся жёсткими при низком напряжении, но размягчаются при более высоком натяжении.
Исследование под названием «Раскрытие механизмов, приводящих к заклиниванию вязаных тканей» опубликовано в журнале Physical Review E. В работе приняли участие аспиранты группы Мацумото из Технологического института Джорджии Сара Гонсалес и Александр Кашин, а также бывший научный сотрудник Майкл Димитрийев, который сейчас является доцентом в Техасском университете A&M.
Работа основана на предыдущих исследованиях группы, демонстрирующих, что вязаные материалы можно математически «программировать» для предсказуемого поведения. «Эти свойства интуитивно понятны людям, которые вяжут вручную, — говорит Мацумото, — но чтобы манипулировать этими свойствами и использовать их в промышленных условиях, нам нужно понять физику, стоящую за ними. Это новое исследование — ещё один шаг в этом направлении».
Гонсалес, возглавлявшая исследование, впервые заинтересовалась заклиниванием во время проведения смежных исследований. «Я использовала модельные симуляции, чтобы охарактеризовать, как различные свойства пряжи влияют на поведение вязаных тканей, и заметила странную жёсткую область, — вспоминает она. — В наших предыдущих исследованиях мы также наблюдали такое поведение в лабораторных экспериментах, что позволило предположить, что то, что мы видели в симуляциях, является подлинным явлением. Я хотела исследовать это дальше».
После изучения темы она поняла, что то, что она видела, называется «заклиниванием». В трикотаже, объясняет Гонсалес, заклинивание происходит, когда стежки плотно прижаты друг к другу, и ткань сопротивляется растяжению. Хотя это хорошо известное явление, его физика в основном исследовалась в гранулированных системах, таких как снег или песок, а не в тканях.
«В тканях, когда вы мягко тянете, реакция на удивление жёсткая, но когда вы начинаете тянуть сильнее, стежки перестраиваются, и материал смягчается», — говорит Мацумото. «В гранулированных системах это немного похоже на то, как работают лавины. При низких силах снежный покров твёрдый, но когда склон крутой, сила тяжести превращает этот снежный покров в лавину».
«В тканях это немного похоже на путаницу в украшениях, — добавляет она. — Если вы потянете за неё, она станет довольно жёсткой, но если ослабить узел, цепь может перестроиться, и она станет не такой жёсткой».
Используя комбинацию экспериментов с промышленно вязаными тканями и компьютерных моделей, команда проанализировала, что вызывает заклинивание в тканях и как им управлять. «Мы хотели определить, как различные свойства пряжи влияют на заклинивание, — объясняет Гонсалес. — Наша цель состояла в том, чтобы понять механику заклинивания через взаимодействие пряжи в различных точках контакта в стежках».
Команда обнаружила, что натяжение машины и толщина пряжи играют ключевую роль в том, чтобы сделать ткань более или менее заклинивающей, и что заклинивание ведёт себя по-разному в зависимости от того, в каком направлении растягивается ткань.
«Когда вы растягиваете трикотаж вдоль рядов, жёсткость пряжи вызывает заклинивание ткани. Заклинивание в другом направлении происходит из-за контактов пряжи, — говорит Гонсалес. — Мы также показали, что влияние изменения натяжения машины и толщины пряжи различается в зависимости от направления ткани».
«Обнаружение того, что заклинивание ткани работает по-разному в разных направлениях, стало ключевым моментом, — добавляет она. — Насколько нам известно, физика этого никогда ранее не исследовалась».
Исследование перекликается с работой Центра WPI-SKCM2 Мацумото, которая включает изучение фундаментальных аспектов узлов и хиральности. Центр заинтересован в классе материалов, называемых «узловыми хиральными метаматериалами», которые могут привести к созданию более устойчивых материалов.
Например, вязание, в котором используются хиральные узлы, может быть использовано для создания более эластичных тканей из натуральных материалов. «Во многих случаях производители используют пряжи, которые сочетают, например, полиэстер, хлопок и эластан для создания желаемой эластичности, — говорит Мацумото. — Наши исследования показывают, что манипулирование топологией стежков может привести к аналогичной эластичности, снижая потребность в волокнах на основе нефти и создавая более экологичный текстиль».
«Вязание может быть чрезвычайно полезным в производстве, но знания обычно передавались через интуицию и из уст в уста, — добавляет она. — Создавая эти математические модели, мы надеемся формализовать эти знания таким образом, чтобы они были доступны для крупномасштабного производства — чтобы мы могли использовать эту многовековую интуицию для современных инноваций».
Предоставлено: Технологический институт Джорджии.